TiCpZA43复合材料的热膨胀行为研究

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摘要：采用Ｘ ＂法与搅拌铸造法相结合的工艺制备了ＴＣ／Ａ ３ Ｄ ｉ， ４ 复合材料， Ｚ 研究了ＴＣ／Ａ ３ ｉ， ４ 复合材料的微观组 Ｚ 织．侧定了ＴＣ／Ａ ３ ｉｐＺ ４ 复合材料 ５－２０ 间的热膨胀系数值， ０ ，Ｃ ５ 并运用理论模型对该温度区间的热膨胀系数进行了 计算， 分析了热膨胀性能的影响因素。 结果表明． ｉ ＴＣ颗粒增强相的加人使Ｚ ４ 合金的微观组织和热膨胀性能显著 Ａ３
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Ｔ ｒｅ 模型仅考虑加热过程中每个均匀区域中相邻 ｕｎｒ 相之间的均匀应力， 认为复合材料组成相中只存在均 匀静应力；而 Ｋ ｒｅ 模型既考虑均匀区域中相邻相 ｅ ｒ ｎ 间的均匀应力，又考虑了内部晶界或相界的切变效 应。增强相含量相同的情况下，（Ｔ ）小于 （ｋ ） ａ－ ａ ａ ａ， － 表明ＴＣ／Ａ ３ ｉ Ｚ ４ 复合材料的热膨胀过程中， 晶界和相 界的切变效应不明显。 ２４ ｉ，Ｚ ４ 复合材料热膨胀性能的影响因素 ． ＴＣ／ Ａ ３ 对于ＴＣ颗粒增强的Ｚ ４ 复合材料， ｉ Ａ３ 当复合材 料的温度有一 △ 的变化时， ｔ 基体中某点受力状态分 析如图 ５ 所示［〕 ，。 ‘
情况下， ｉ ／Ａ ３ ＴＣ Ｚ ４ 复合材料的热膨胀系数， 计算结
果示于图 ４ 。
如图４ 两种预测模型的预测值都与实测值 所示，
接近 ，比较而言 ，Ｔ ｒｅ 模型预测值更接近Ｊ ． ｕｎｒ ｊ ｅ 表 １ ｉｅ Ａ ３ ＴＣ／ ４ 复合材料组成物的物理参数 Ｚ
Ｔ ｂ １ ｈｓ ａ ｐｒｍ ｔ ｏ ＴＣ ／Ａ ３ ａｌ Ｐ ｙｉ ｌ ａ ｅ ｒ ｉ Ｚ ４ ｅ ｃ ａ ｅ ｆ
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谢贤清， ，张 荻， ，蔡建国’ 刘金水２ ， （ 上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室， １ 上海 ２０３ ； ０００ ２ 湖南大学机械与汽车工程学院， 长沙 ４０８） １０２ ＸＥ ａ－ ｎ＇ Ｚ Ａ Ｇ ， Ｉ －ｕ＇ ＬＵ － ｕ Ｉ Ｘ ｎ ｉ ， Ｎ Ｄ Ｃ ） ｎｇｏ， Ｊ ｓ ｉ ｉ ｇｇ Ｈ Ｏ Ａ ｉ ｏ Ｉ ｉ ｈ＇ ｎ ｅ Ｌ ｏａ ｙ ＭＭＣ ， ｎｈｉ ｔ ｇ ｖ ｓｙ Ｓ ａｇａ ２０３ ， ｎ （ Ｓａ Ｋ ｙ ｂｒｔｒ ｆｒ ｓ Ｓ ａｇａｌ ｏ ｎ Ｕ ｉ ｒｉ ， ｎｈｉ ００ Ｃ ｉ ； １ ｔ ｔ ｅ ａ ｏ ｏ ｈ ｉ ｏ ａ ｎｅ ｔ ｈ ０ ｈａ ２ ｌｇ ｏ Ｍｅｈｎ ａ ＆Ａ ｔ ｏｉ Ｅ ｇｎｅｉ ， ｎｎ ｉ ｒ ｔ， ｎｓａ ０２ Ｃ ｉ ） Ｃ ｌ ｅ ｃａｉ ｌ ｕｏ ｔ ｅ ｉ ｒ ｇ Ｈ ａ Ｕ ｖ ｓｙ Ｃ ａｇｈ ４０８ ， ｎ ｏ ｅ ｆ ｃ ｍ ｖ ｎ ｅ ｎ ｕ ｎｅｉ ｈ １ ｈａ
ＴＣ ／ ４ ｉ， ３复合材料的热膨胀行为研究 Ｚ Ａ
ＴＣ／Ａ ３ ｉｐＺ ４ 复合材料的热膨胀行为研究
Ｓｕ ｙ Ｔ ｅｍａ Ｅ ｐ ｎｉ Ｂ ｈ ｖ ｒ ｔｄ ｏ ｈｒ ｌ ａｓ ｎ ａｉ ｆ ｘ ｏ ｅ ｏ ｏ Ｔ Ｃ ｒｉ ｌｔ Ｒ ｉｆｒｅ Ｚ ３ ｔｉ Ｃ ｍｐ ｓ ｅ ｆ Ｐ ｔ ｕａｅ ｎｏｃｄ ｉ ａ ｃ ｅ Ａ４ Ｍａｒ ｏ ｏｉ ｘ ｔ
压人 Ａ －ｕ合金液中， Ｉ Ｃ 搅拌后将 Ｚ ｎ加人到含ＴＣ的 ｉ
ＴＣ ／ ４ ｉ， ３复 合 材 料 的 热 膨 胀 行 为 研 究 Ｚ Ａ
、Ｖ＋＝ ：〕 一， Ｖ＋ 〔 ａ ａ瓮 ， ：
Ｔ ｒｅ 模型的计算公式为： ｕｎｒ
（ Ｋ，（ｚ Ｖ， Ｋ， ）ａ ａ） ， ４： ３ Ｇ 十 Ｋ，
中图分类号：Ｔ １５２ １ Ｇ － １ １ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 １０－３１ ０ １ ０－０３０ ０ １ ８ （ ０ ） ００－４ ４ ２ ８
Ａ ｓ ａ ： ， Ａ ３ ｐｓｅ ｆ ｒａ ｄ Ｘ ＂ ｄ ｒ ｇ ａ ｉ ｔ ｈｉ ｅ． ｅ ｂ ｒｃ ＴＣ／ ４ ｃ ｏｉ ｗ ｓ ｉ ｔ ｂ Ｄ ａ ｓｒｎ－ ｓｎ ｅ ｎ ｕｓ Ｔ ｍ ｔ ｔ ｉ Ｚ ｏ ｍ ｔ ａ ａ ｃ ｅ ｙ ｂ ｎ ｔ ｉ ｃ ｔｇ ｑ ｉ ｃ ｈ ｉ ｃ ｓ ｕ ｕ ｗ ｓ ｓｇｔ ， ｔ ｃ ｆ ｉ ｔ ｈｒ ａｅｐｎｉ （Ｔ ） ｉ ／Ａ ３ － ｒ ｔ ｃ ｒ ａ ｉ ｅ ｉ ｅ ａｄ ｏ ｆ ｅ ｏ ｔ ｍ ｌ ａｓ ｎ Ｅ ｏ ＴＣ Ｚ ４ ｃｍ ｏ ｒ ｔ ｅ ｎ ｔａ ｄ ｎ ｈ ｅ ｉ ｎ ｆ ｖ ｅ ｃ ｅ ｘ ｏ Ｃ ｆ ， ｏ
新型铸造锌合金以其优良的铸造性能、 力学性能 以及价廉、 丰富的原材料和简便的熔铸工艺引起了材 料工作者的广泛重视。 同时ＴＣ具有高硬度、 ｉ 高模量、 高熔点等特性， 能够较大幅度地提高材料的高温强
其在工业中的应用及性能的进一步完善提供理论依
据。
１ 实验方法
１ １ 实验材料的制备 ．
度。 ｉ ＴＣ陶瓷颗粒作为轻金属的增强相愈来愈受到重
ｐｓｅ ｓ ａｕｅ ｉ ｔｅ ｇ ｏ ５ 一２０ ｉ ａ ａ ｍ ｔ ． ｅｒ ｉ ｌ ｄｌ ｗ ｒ ｅ － ｏｉ ｗ ｍ ｓｒ ｎ ｒｎｅ ０ ５ Ｃ ｔ ｄｌｏ ｅｅ Ｔ ｏｅｃ ｍ ｅ ｅｅ ｔ ａ ｅ ｄ ｈ ａ ｆ ｗ ｈ ｉｔ ｒ ｈ ｔ ａ ｏ ｓ ｍ ｐ ｙｄ ｃｌ ｌｅ Ｃ Ｅ ＴＣ／Ａ ３ ｔｅ ｅ ｐｒｔｒ ｒｎｅ Ｔ ｅ ｌ ｎｅ ｔｒ ｏ ｌ ｅ ｔ ａ ｕ ｔ ｔｅ ｏ ｉ，Ｚ ４ ｉ ｈ ｓｍ ｔ ｅａｕｅ ｇ． ｉ ｕ ｃ ｆ ｏｓ ｏ ｏ ｃ ａ ｈ Ｔ ｆ ｎ ａ ｅ ｍ ａ ｈ ｎ ｅ ａ ｆ ｃ ｎ ｔｅｍａ ｅｐｎｉ ｐｏｅｔ ｗ ｒ ａａ ｚｄ Ｉ ｉ ｓｏ ｎ ｔ ｐｒｃ ｓ ｉ ｒｖ ｍｃｏｔ ｃ ｈｒ ｌ ａｓ ｎ ｐｒ ｅｅ ｌ ｅ． ｓ ｗ ｔａ ＴＣ ｔ ｌ ｃｎ ｏｅ ｒｓｒ － ｘ ｏ ｒ ｙ ｎｙ ｔ ｈ ｈ ｉ ａ ｉｅ ａ ｍｐ ｉ ｕ
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作为复合材料的增强相， 陶瓷颖粒具有比基体合
金低许多倍的热膨胀系数。 同时复合材料通常是在高 沮下制备， 且有些在高温下服役， 要求具有良好的尺 寸稳定性 。热膨胀性能的差异在材料中会产生热应 力。 这是复合材料制备和应用的一大障碍。 本研究通
过对 ＴＣ／Ａ ３ ｉｐ ４ 复合材料的热膨胀性能的研究， Ｚ 探
式中： ， 。为径向应力； ｅ Ｃ为环向应力； ， Ｖ 为增强 粒子的体积分数ｉ ｓ为粒子半径； 为基体受力点到粒 Ｙ 子中心的径向距离； 尸为界面应力； 为热膨胀系数； ａ ｖ 为泊松比；Ｅ为弹性模量 ；山 为温度差。
ｃ ｍ ｐ ｓｔ ｃ ｎ ｔｔ ｅ ｔ ｏ ｏ ｉｅ ｏ ｓ ｉｕ ｎ 一Ｕｍ 氏 ｒ ｍｅ ｅ ａ ｔ， Ｚ ３ Ａ４ Ｒｅｅ ｅ ｃ ｆｒｎ ｅ
Ｔｉ Ｃ
图 ５ ｉ ＴＣ粒子附近基体 中热应力简图 Ｆｇ ５ ｉ ｒｍ ｔｅｍａ ｓ ｅｓ ｍ ｔｉ ｉ． Ｄａ ａ ｏ ｈｒ ｌ ｓ ｉ ａｒ ｇ ｆ ｔ ｒ ｎ ｎ
改善。 运用 Ｋ ｒｅ 模型和Ｔ ｒｅ 模型对 ＴＣ／Ａ ３ ｅ ｒ ｎ ｕｎｒ ｉ， ４ 复合材料的热膨胀系数的计算值与实侧值能很好地吻合。 Ｚ 研究
发现ＴＣ／Ａ ３ ｉ Ｚ ４ 复合材料的界面热应力随温度的升高而显著地增加 但随ＴＣ颗粒含量的增加只稍有增长。 ， ｉ 应力状
态引起热膨胀系数的变化随温度的不同而不同 关艘词：热膨胀性能；ＴＣ ／Ａ ３ ｉｐＺ ４ 复合材料；理论模型；热应力
讨 了 ＴＣ颗粒 含量及 温度对热膨胀性 能 的影响，为 ｉ
将 Ａ 粉 纯度 ９．％，粒径＜１７ｍ） Ｔ 粉 （ ｌ ９６ ４ｐ ， ｉ （ ９． ０， 纯度 ９４０ 粒径＜５Ｋ 和工业高纯石墨按一定 ０ｍ） 比例配制， 在球磨机上混合研磨 ２ｈ 球磨后的粉末 ４， 在 ｌ ａ ＯＭＰ 压力下压制成块， Ｏ 再在烧结炉内烧结 （ 氢 气保护） 制备 Ａ－ｉ 预制块。电阻炉内熔制 Ａ－ ， ｌ Ｃ Ｔ 。 ｌ ４ ｔｏｕ ｗ ０ 合金， ９０ ｃ 在 ０Ｃ 时将 Ａ－ ｉ Ｉ － Ｔ Ｃ预制块用钟罩
式中，脚标为 １ 表示增强相的物理量，脚标为 ２ 表示基体的物理量。 为热膨胀系数； 为泊松比； ａ ， Ｖ 为体积分数； Ｅ为杨氏模量； Ｋ为压缩模量； Ｇ为剪
切模量 口
基体和增强相的相关参数列于表 １ 。将数据代人 （） （） 便可计算出１０ １， 式， ２ ０Ｃ 时不同增强相含量的
。＝Ｐ （／）一Ｖ］（ 一Ｖ） ［ａｒ， ｅ １ ｚ ／
。 ＝ Ｐ ０５ａｒ＇ Ｍ ／１一 Ｖ ） ， ［． ／） ＋ （ （ ｅ
（１ ０） 口 一 ，心
（３） （４）
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